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真空管二极管:它是什么以及它是如何工作的

  • 发表时间:2021-09-13 10:54:40
  • 来源:本站
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金属包络真空管二极管

来源:维基共享资源 

最近,我们看到了电气设备领域的许多技术进步。如今,我们可以找到一堆晶体管来创建逻辑门并实现计算。

但是,在晶体管和直流电发明之前,计算机就已经存在了。尽管这种最早形式的计算机如此庞大,但它在 20 世纪占据了整个房间并重达数千磅。 

真空管二极管在这些庞然大物的计算机中扮演着晶体管的角色。尽管晶体管运行着现代电子设备的世界,但真空二极管仍有其用途。

因此,在本文中,我们将展示有关真空管二极管的所有信息、它的工作原理、它的类型和适用于您的PCB 的应用以及它的特性。 

让我们开始!

真空管

真空管

来源:维基共享资源

什么是真空管二极管?

在晶体管约翰爵士时代之前,Ambrose Fleming 在 1904 年创造了我们所知的真空管。 Lee De Forest 爵士(来自 17 世纪)是另一个不可忽视的名字,尤其是与真空管二极管相关的收音机和灯丝。

真空管是一种装置,它阻止单个电子从一个方向(阳极到阴极)的电流流动,同时允许电流在另一个方向(阴极到阳极)流动。

现在,真空二极管是产生和控制自由电子的真空管的最简单形式此外,真空二极管有两个电极,我们称为阴极和阳极。阳极用作电子收集器,而阴极用作电子发射器。它还可以作为带有单向阀的 1.4 伏灯丝工作,同时支持加热灯丝和细长灯丝。

另外,阴极在静电场放电期间可以是正极或负极。换句话说,它具有很好的场致发射特性。

阳极是由镍或铁制成的空心金属圆柱体。但是,在高功率情况下,您会发现含有钼、石墨或钽的阳极,因为高功率事件会损坏镍或铁阳极。此外,阳极比阴极大,可以在不大幅升高温度的情况下散热。因此,您不能将阳极视为具有弱电流的阳极。

另一方面,阴极由简单的钨丝或钍钨组成此外,带有场线的阴极可以是氧化钡或氧化锶涂层的镍管。此外,氧化物涂层阴极显示出更好的发射效率。

真空管二极管的工作原理

在研究真空二极管的工作原理时,了解电子从表面逸出的方式的有效性很重要。

加热材料每单位面积可以发射的电子流数量与常数“b”和绝对温度有关。常数“b”表示初级电子如何逃离表面。

因此,由此,我们可以推导出离开外表面的电流方程为:

I = AT²ε (–b/T)

流出外表面的电流方程

在哪里: 

I – 以安培为单位的电流

A – 发射材料种类的常数

T – 绝对温度

b – 电子离开外表面所需的功

Walter H. Schottky 和 Thomas Edison 的发明也支持上述等式。

高真空管二极管

高真空管二极管

来源:Flickr

大多数情况下,真空热电子管二极管的工作原理类似于现代电子管。但尺寸更大。此外,它还具有一个真空容器,其阳极和阴极连接在电压源上。文件:Anode-cathode.jpg - Wikimedia Commons

阳极和阴极电压

来源:维基共享资源

阳极(正极端子)处理正电压。因此,它适用于热电子发射原理。此外,灯丝加热阴极(负极端子)并允许发射电子。这些发射的电子然后被吸引到阳极。但是,如果阳极接收到的正电压不够,它就不会从阴极吸引电子。

电灯丝

电灯丝

来源:维基共享资源

出于这个原因,一团看不见的电子会在阳极和阴极之间的空间中积聚,从而产生空间电荷空间电荷排斥离开阴极的其他电子。因此,停止电子发射和电流通过电路的流动。

但是,如果阳极和阴极之间施加的电源电压足够高,那么空间电荷效应将被缓慢中和。这样,流向阳极的电子将是自由的。因此,电子可以在真空外壳的玻璃外壳内穿过真空。出于这个原因,没有什么能阻止电子的发射,从而允许电流从阳极自由流动到阴极。

此外,随着阳极上施加的电压增加,电流也会增加。最终,空间电荷完全消失,阳极从阴极获得最大发射。

笔记:

增加阴极电子发射的唯一方法是增加阴极的温度。它还增加了电子的能量,允许更多的电子离开阴极。

尽管真空二极管的所有区域都带有空间电荷,但它在阴极区域非常重要。为什么?因为它决定了关键元素——包括最大排放。

相反,如果阳极处理负电压,则不会有电子流动——因为它不会很热。此外,离开加热阴极射线管的电子不会移动到阳极。这个过程在阳极和阴极射线管之间积累了很强的空间电荷。由于空间电荷的强烈排斥,所有电子都移回阴极。因此,没有电流流过电路。

真空二极管的特性

以下是真空管二极管的一些特性。

二极管作为整流器

当向阳极施加交流电时,其极性将在正半周期间保持正极性。因此,电子可以流向阳极。此外,在负半周期间,极板保持负值,从而终止阳极电流。

因此,它表明真空管二极管将允许阳极电流仅沿一个方向流动并产生整流输出电流。这对于具有加热器电压或反向电压的热离子二极管或半导体二极管效果更好。

二极管整流器

二极管整流器

来源:Flickr

两种类型的阴极

真空管二极管可以使用两种类型的阴极:

直接加热阴极

此处,阴极也用作灯丝。所以,你可以称它为灯丝型阴极。

间接加热阴极

此处,阴极具有涂有氧化物的薄金属套筒。套管用作阴极,并且有一条与套管分开的电绝缘钨丝。

空间电荷

空间电荷是真空管二极管的一个重要特性。当阴极发射电子时,阴极上会出现正电荷。它允许阴极吸引电子并在真空管外壳中产生空间电荷。

阴极材料

以下是两种常见的正极材料:

钨是一种纯金属,它的功函数为 4.54 eV。您可以在 2500®K 下安全地操作这种材料,并将其用于高功率管、热电子真空管或行波管。

钨棒

钨棒

来源:维基共享资源

钍钨

这种材料适用于直接加热的阴极。它支持低温下的电子(大约 700°C 到 750°C。您可以以高效率和小加热功率操作这种材料。

真空管二极管的类型

真空二极管管类型有六种分类,其中包括:

  • 用于频率范围的真空二极管(无线电发射器、微波、音频)

微波

微波

来源:Pixabay

  • 具有均匀场额定功率(音频功率、小信号)的真空二极管

  • 阴极/灯丝型真空二极管 

  • 特殊功能真空二极管(光探测器)

  • 应用真空二极管(发射管或接收管)

  • 专用参数的真空二极管(低噪声音频放大)

应用

真空管二极管的应用包括:

  • 原子钟

  • X 射线管

  • 收音机

  • 电网偏置电池 

  • 音响系统

  • 稳压管

  • 控制电极

  • 三极管放大器

  • 电子放大器

  • 消费者应用

  • 高速电路交换

  • 速调管

  • 离子推进系统

  • 电子设备

  • 电池供电设备

  • 专业音响设备

  • 无线电通讯

  • 太阳能集热器

  • 微波系统

  • 具有(高压)供应的军事系统

  • 移动电话、蓝牙和 Wi-Fi 微波组件

  • 蜂窝电话卫星

  • 粒子加速器

  • 光电倍增管

  • 闪光灯

  • 半导体真空电子系统

  • 真空电子器件

  • 真空面板显示器

最后的话

尽管世界现在由晶体管供电,但真空二极管仍有其用途。也许真空二极管最杰出的现代用途是在音乐界。大多数发烧友更喜欢真空管电子放大器的音质而不是半导体放大器。

单管真空管

单管真空管

另一个值得注意的应用是高功率射频发射器。真空管二极管比半导体二极管产生更多的功率。因此,您会在 MRI 扫描仪、粒子加速器甚至微波炉中找到真空管。这篇文章到此结束。如果您有任何问题,请随时与我们联系我们很乐意提供帮助。